細(xì)胞內(nèi)動力系統(tǒng)

醫(yī)學(xué)細(xì)胞與分子生物學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳系

曹軒曹軒，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2號樓1201室Email:2000年于湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位2008年于武漢大學(xué)生科院生化與分子生物學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位2008-2013年在加拿大WesternUniversity醫(yī)學(xué)院生化系博士后2013-2015年在WesternUniversity醫(yī)學(xué)院生化系擔(dān)任副研究員2015.3-在華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院擔(dān)任教授、博導(dǎo)主要研究領(lǐng)域

致力于研究蛋白相互作用的分子機(jī)理，探究蛋白功能和作用異常對細(xì)胞行為和疾病的影響，應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)及生物化學(xué)等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，研究重要的癌癥相關(guān)蛋白通過RhoGTPases相關(guān)的細(xì)胞信號通路調(diào)控細(xì)胞骨架組裝的分子機(jī)理，揭示細(xì)胞極化、癌細(xì)胞EMT轉(zhuǎn)變、細(xì)胞運(yùn)動以及癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散的分子機(jī)制，發(fā)展癌癥分子診斷和防治新技術(shù)。細(xì)胞內(nèi)動力系統(tǒng)

線粒體（mitochondrion）

除哺乳動物成熟紅細(xì)胞外，所有真核細(xì)胞都有線粒體，細(xì)胞生命活動所需能量的95%來自線粒體，因此線粒體被稱為細(xì)胞生命活動的“供能中心”、“動力工廠”和“能量轉(zhuǎn)換器”。本章教學(xué)內(nèi)容一、線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)二、線粒體的功能三、線粒體的半自主性與起源四、線粒體病1、線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布形態(tài)光鏡下呈短線狀或顆粒狀。因細(xì)胞形態(tài)不同而異。大小數(shù)量分布差異較大，一般短徑為0.5-1.0um左右，長徑為1.5-3.0um。最大可達(dá)10um，稱為巨大線粒體。少則幾十個(gè)，多則可達(dá)數(shù)千，生理活動旺盛細(xì)胞中數(shù)目多。(mitochondrion:mitochondria)一、線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)2、線粒體的超微結(jié)構(gòu)◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高◆內(nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）◆膜間腔（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子◆基質(zhì)（matrix）：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達(dá)酶系以及線粒體DNA、RNA、核糖體等◆基粒(elementaryparticle)：“ATP合酶復(fù)合體”

（ATPsynthasecomplex）“F0F1ATP合酶復(fù)合體”

（F0-F1ATPsynthasecomplex)在線粒體內(nèi)膜基質(zhì)面上垂直附著的柄球狀小體。功能：催化ADP＋PiATPThethree-dimensionalstructureoftheF1ATPase,determinedbyx-raycrystallography(X光結(jié)晶學(xué)).“ATP合酶復(fù)合體”（ATPsynthasecomplex）頭部：偶聯(lián)因子1（couplingfactor1,F1），由5種類型、9個(gè)亞基組成，組分為α3β3γεδ。其中α和β亞基具有核苷酸結(jié)合位點(diǎn)，但只有β亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化ATP合成的活性。F1的功能是催化ATP合成。γ與ε亞基具有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合形成“轉(zhuǎn)子”(rotor)，旋轉(zhuǎn)于α3β3的中央，調(diào)節(jié)3個(gè)β亞基催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉?；浚号悸?lián)因子0（F0），由a、b、c這3種亞基按照ab2c10-12的比例組成跨膜的質(zhì)子通道。F0在ATP合成酶中的作用是將跨膜質(zhì)子驅(qū)動力轉(zhuǎn)換成扭力矩，驅(qū)動“轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)。a亞基、b亞基和F1

的δ亞基共同組成“定子”（stator），也稱外周柄。細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的通道◆內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)（

translocationcontactsite）：線粒體的酶的定位線粒體主要功能:為細(xì)胞氧化（cellularoxidation）作用提供場所

，合成ATP，為細(xì)胞生命活動提供直接能量。二、線粒體的功能

◆細(xì)胞氧化:細(xì)胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸、單糖等供能物質(zhì)在一系列酶的作用下，消耗O2，產(chǎn)生CO2和水，放出能量的過程。此過程中細(xì)胞要攝取O2，排出CO2，故又稱為細(xì)胞呼吸（cellularrespiration）。酶◆細(xì)胞氧化分為四個(gè)主要的步驟：糖酵解、乙酰輔酶A的形成、三羧酸循環(huán)、電子傳遞偶聯(lián)的氧化磷酸化。其中糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，而后三步均在線粒體中進(jìn)行，因此線粒體是細(xì)胞氧化的主要基地。1234高能電子從NADH或FADH2經(jīng)電子傳遞鏈（electrontransferchain）或呼吸鏈（respiratorychain）傳遞給氧形成水，同時(shí)伴隨ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）。電子傳遞偶聯(lián)的氧化磷酸化尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+＋２H(2e+2H+)＝NADH+H+黃素腺嘌呤二核苷酸FAD＋2Ｈ＝FADH2氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制：化學(xué)滲透假說（chemiosmotichypothesis）

電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對稱分布，當(dāng)高能電子沿其傳遞時(shí)，所釋放的能量將H+從基質(zhì)泵到膜間隙，形成H+電化學(xué)梯度(electrochemicalgradient)。在這個(gè)梯度驅(qū)使下，H+穿過ATP合成酶回到基質(zhì)，同時(shí)合成ATP，電化學(xué)梯度中蘊(yùn)藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵中。Mitchell，1961基質(zhì)膜間腔基質(zhì)氧化磷酸化耦聯(lián)與化學(xué)滲透假說PeterD.MitchellTheNobelPrizeinChemistry1978wasawardedtoPeterMitchell"forhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheory"化學(xué)滲透假說有兩個(gè)特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性如果膜不完整，H+

便能自由通過膜，則無法在內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子動力勢，那么氧化磷酸化就會解偶聯(lián)。一些解偶聯(lián)劑的作用就在于改變膜對H+的通透性，從而使電子傳遞所釋放的能量不能轉(zhuǎn)換合成ATP。B.定向化學(xué)反應(yīng)ATP合成反應(yīng)時(shí)，在電化學(xué)質(zhì)子梯度推動下，H+

由膜間隙通過內(nèi)膜上的ATP合成酶進(jìn)入基質(zhì)，其能量促使ADP和Pi合成ATP。BindingChangeMechanism

（Boyer,1979）當(dāng)H+流順濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)回流時(shí)，驅(qū)動基部F0因子和與之相連接的“轉(zhuǎn)子”（柄部）轉(zhuǎn)動，繼而引起結(jié)合于“轉(zhuǎn)子”另一端的頭部F1因子發(fā)生一定的構(gòu)象變化，結(jié)果使ADP與Pi合成ATP分子，并被釋放出來?！鬉TP合成酶作用的“結(jié)合變構(gòu)機(jī)制”假說ATP合成酶作用機(jī)制：H+F0F1H+流H+流H+流γ亞基與β亞基接觸，使β亞基轉(zhuǎn)變成開放型構(gòu)象。γ亞基完整旋轉(zhuǎn)一周，使每個(gè)β亞基都經(jīng)歷3種不同的構(gòu)象改變，導(dǎo)致3個(gè)ATP生成并從酶表面釋放。ATP合成酶中使電化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率幾乎達(dá)到100%，是迄今發(fā)現(xiàn)的自然界最小的“分子馬達(dá)”。Loose,疏松型：無活性，可與ADP和Pi底物疏松結(jié)合Tight,緊密型：有ATP合成活性，可緊密結(jié)合ATPOpen,開放型：無活性，與ATP親和力低。ATP酶復(fù)合體合成ATP的結(jié)合變構(gòu)機(jī)制TheNobelPrizeinChemistry1997wasawardedtoPauld.Boyer三、線粒體的半自主性與起源半自主性細(xì)胞器（semiautonomousorganelle）：線粒體具有自己的DNA（mitochondrionDNA，mtDNA）以及復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、加工的一套裝置，因而具有獨(dú)立編碼、合成蛋白質(zhì)的能力；但是它只編碼少量線粒體蛋白質(zhì)，大部分蛋白質(zhì)還是由核DNA編碼并在細(xì)胞質(zhì)核糖體合成后再運(yùn)送到線粒體的；并且線粒體基因的復(fù)制與表達(dá)所需的許多酶也是由核DNA編碼的，受核遺傳系統(tǒng)的指導(dǎo)和控制，所以線粒體的遺傳系統(tǒng)是半自主性的。1、mtDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀（除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA）?！鬽tDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大，高等植物中約為200kb~2500kb。線粒體DNA（mtDNA）人類基因組含有大約20000到25000個(gè)基因。水稻基因組大約含有38000個(gè)基因，是人類的1.7倍?！羧薽tDNA：16,569bp，37個(gè)基因（編碼12S、16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個(gè)亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個(gè)cytb，細(xì)胞色素C氧化酶3個(gè)亞基，ATP合成酶2個(gè)F0亞基）。H鏈編碼12種多肽鏈和14種tRNA和12srRNA和16srRNA；L鏈僅編碼1種多肽鏈和8種tRNA

。人mtDNA是一個(gè)雙鏈閉合環(huán)狀分子，外環(huán)含G較多，稱重鏈(H鏈)，內(nèi)環(huán)含C較多，稱輕鏈(L鏈)。2、mtDNA復(fù)制方式●以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制。3、mtDNA復(fù)制與細(xì)胞周期●mtDNA復(fù)制的時(shí)間主要在細(xì)胞周期的S期及G2期；DNA先復(fù)制，隨后線粒體分裂?！駨?fù)制仍受核控制。線粒體的增殖與起源線粒體的增殖由原來的線粒體分裂或出芽而來?！駜?nèi)共生學(xué)說（endosymbiosishypothesis)●非共生學(xué)說線粒體的起源內(nèi)共生起源學(xué)說線粒體的祖先——原線粒體是一種革蘭氏陰性細(xì)菌。

當(dāng)這種細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬后，即與宿主細(xì)胞間形成互利的共生關(guān)系：原始真核細(xì)胞利用這種細(xì)菌獲得更充分的能量，而這種細(xì)菌則從宿主細(xì)胞獲得更適宜的生存環(huán)境。在長期進(jìn)化過程中，共生細(xì)菌的大部分遺傳信息轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核上，而留在線粒體內(nèi)的遺傳信息大大減少。（Margulis，1970）（1）內(nèi)共生起源學(xué)說的主要內(nèi)容◆基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細(xì)菌相似?！粲凶约和暾牡鞍踪|(zhì)合成系統(tǒng)，能獨(dú)立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機(jī)制有很多類似細(xì)菌而不同于真核生物。（2）內(nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)基因排列緊密mtDNA沒有內(nèi)含子，排列緊密；mtDNA上基因缺少非翻譯區(qū)，很多基因沒有完整的終止密碼，僅以T或TA結(jié)尾；兩條鏈都有編碼功能；具有基因重疊現(xiàn)象。tRNA的種類不同tRNA兼用性也較強(qiáng)，僅用22個(gè)tRNA來識別多達(dá)48個(gè)密碼子；而核內(nèi)有30多種與氨基酸對應(yīng)的tRNA。遺傳密碼和通用密碼不同

密碼子“通用”密碼線粒體密碼UGA終止密碼色氨酸AUA異亮氨酸甲硫氨酸AGA精氨酸終止密碼AGG精氨酸終止密碼

◆兩層被膜有不同的進(jìn)化來源，外膜與細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細(xì)菌質(zhì)膜相似?！粢苑至训姆绞竭M(jìn)行繁殖，與細(xì)菌的繁殖方式相同?！裟茉诋愒醇?xì)胞內(nèi)長期生存，說明線粒體具有的自主性與共生性的特征?！艟€粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌。（2）內(nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)（續(xù)）四、線粒體病（mitochondrialdisease）線粒體?。褐妇€粒體功能障礙或異常所引起的疾病，已知的人類線粒體病有100多種。線粒體病有以下共同特征：1）主要侵犯代謝旺盛、需要能量高的組織、器官，如肌肉、心臟、大腦。2）異質(zhì)性（heteroplasmy）：每個(gè)細(xì)胞含有很多個(gè)mtDNA，并非一個(gè)細(xì)胞中所有的mtDNA都發(fā)生突變，因此細(xì)胞中的mtDNA存在突變型與野生型兩種類型，即異質(zhì)性。只有當(dāng)突變的mtDNA逐漸積累，其比例達(dá)到一定閾值（threshhold）才能引起疾病。母系遺傳（maternalinheritance)3）家族性：人類的mtDNA為母系遺傳(maternalinheritance)，mtDNA突變導(dǎo)致的線粒體病呈單純的母系遺傳。人精子細(xì)胞中約25個(gè)線粒體精子細(xì)胞尾部環(huán)狀線粒體mtDNA點(diǎn)突變與疾病Leber遺傳性視神經(jīng)?。ǎ蹋龋希危篖eber′shereditaryopticneuropathy以德國眼科醫(yī)師TheodorLeber的姓氏命名

雙胞胎兄弟患者視乳頭盤血管膨脹，視神經(jīng)萎縮視神經(jīng)壞死雙側(cè)中央視力喪失視乳頭毛細(xì)血管擴(kuò)張性微血管病視盤周圍神經(jīng)纖維層膨脹發(fā)?。?8-30歲11778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg→His，從而影響線粒體能量的產(chǎn)生。大約50%的LHON病例由該位點(diǎn)突變引起。

11778G→ALHON與LHON病相關(guān)的mtDNA突變mtDNA突變相關(guān)基因nt.11778G→AND4nt.15257G→ACybnt.3460G→AND1

nt.4160T→CND1

nt.14484T→CND6nt.7444G→ACOI1.11778G→A,喪失了ＳfaNI酶切位點(diǎn)LHON的基因診斷１２３４５６